第二节ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用 、ATP再生系统 20世纪60年代以来固定化技术的飞速发展,极大地促进了作为高效催化剂的酶和微生 物细胞在实际工业生产中的应用。目前,固定化细胞和酶不仅已被用于大规模连续生产医药 生物和营养方面的重要产品,而且在有机合成、化学和临床分析、食品工业、医药以及生物 化学的基础研究领域中也倍受人们关注。然而,遗憾的是,直到现在,固定化酶的工业应用 几乎全限于催化降解反应或简单的转化反应,在复杂合成过程中的应用鲜有报道,对人们所 关心的由简单前体合成复杂分子的过程更是研究甚少。而实际上,许多有用的、特别是那些 本来由传统发酵工艺生产的化合物,在细胞中通常是通过多酶反应合成的,因此,如何建立 一个合理的生物反应系统以实现有用化合物的高效生产,近年来已成为生化工程研究者所注 目的焦点问题。 阻碍多步酶反应经济可行工艺发展的屏障在于缺乏辅因子如5-三磷酸腺苷(AIP)和烟 酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)及辅酶A的再生和保留系统,故构建辅因子再生系统,无论是对 酶的经济利用还是对提高反应效率来讲都是必需的。其中又以AIP再生系统最为重要,因 为ATP通常作为生物合成酶反应生产有用物质所必需的能量来源,但ATP的价格又相对昂 贵,经济上不允许在反应过程中直接添加ATP。因此,一旦需要利用生物合成酶反应生产某 些物质,ATP提供方式是否经济、有效,直接影响反应的成功与否 ATP再生系统可定义为一个需要ATP的生物酶反应系统与一个ATP生物合成系统所构 成的耦合系统。一般地,ATP在降解为ADP(或AMP)的同时,释放贮存在AP分子中的能 量用于生物合成反应。若能建立一个适宜的反应系统,在这个系统中,由ATP降解而来的 ADP(或AMP)可通过其它途径再合成ATP,使AP能够循环使用,这样就有可能采用能够 再生ATP的廉价底物来替代ATP,从而提高有用物质生产过程的经济性 到目前为止所报道的ATP再生系统中,如果按底物的不同来分类,可以分为转移高能 磷酸基的反应系统和采用碳水化合物作为基质的反应系统。前一系统由于采用高能化合物作 为底物,实验室规模操作的效率虽然较高,但在工业上使用却很不稳定,会导致AIP再生 反应总产率的下降,且大规模提供这些物质也有问题,故用途不广。后一系统与前者相比优 势明显。因为从工业规模AP再生反应的角度来看,碳水化合物和磷酸基团无疑是价廉 稳定且能够大规模提供的基质。采用碳水化合物为基质再生ATP,通常需要多种参与糖代谢 的酶,由于不太可能分离出酵解系统的所有酶,故可以采用含有这些酶的微生物细胞作为合 成ATP的酶源。根据酶源的不同,又可将利用碳水化合物为基质的ATP再生系统再分为自 耦合系统(图3-2-1)和种间耦合系统(图3-2-2)6 第二节 ATP 再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用 一、ATP 再生系统 20 世纪 60 年代以来固定化技术的飞速发展，极大地促进了作为高效催化剂的酶和微生 物细胞在实际工业生产中的应用。目前，固定化细胞和酶不仅已被用于大规模连续生产医药、 生物和营养方面的重要产品，而且在有机合成、化学和临床分析、食品工业、医药以及生物 化学的基础研究领域中也倍受人们关注。然而，遗憾的是，直到现在，固定化酶的工业应用 几乎全限于催化降解反应或简单的转化反应，在复杂合成过程中的应用鲜有报道，对人们所 关心的由简单前体合成复杂分子的过程更是研究甚少。而实际上，许多有用的、特别是那些 本来由传统发酵工艺生产的化合物，在细胞中通常是通过多酶反应合成的，因此，如何建立 一个合理的生物反应系统以实现有用化合物的高效生产，近年来已成为生化工程研究者所注 目的焦点问题。 阻碍多步酶反应经济可行工艺发展的屏障在于缺乏辅因子如 5'-三磷酸腺苷(ATP)和烟 酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)及辅酶 A 的再生和保留系统，故构建辅因子再生系统，无论是对 酶的经济利用还是对提高反应效率来讲都是必需的。其中又以 ATP 再生系统最为重要，因 为 ATP 通常作为生物合成酶反应生产有用物质所必需的能量来源，但 ATP 的价格又相对昂 贵，经济上不允许在反应过程中直接添加 ATP。因此，一旦需要利用生物合成酶反应生产某 些物质，ATP 提供方式是否经济、有效，直接影响反应的成功与否。 ATP 再生系统可定义为一个需要 ATP 的生物酶反应系统与一个 ATP 生物合成系统所构 成的耦合系统。一般地，ATP 在降解为 ADP(或 AMP)的同时，释放贮存在 ATP 分子中的能 量用于生物合成反应。若能建立一个适宜的反应系统，在这个系统中，由 ATP 降解而来的 ADP(或 AMP)可通过其它途径再合成 ATP，使 ATP 能够循环使用，这样就有可能采用能够 再生 ATP 的廉价底物来替代 ATP，从而提高有用物质生产过程的经济性。 到目前为止所报道的 ATP 再生系统中，如果按底物的不同来分类，可以分为转移高能 磷酸基的反应系统和采用碳水化合物作为基质的反应系统。前一系统由于采用高能化合物作 为底物，实验室规模操作的效率虽然较高，但在工业上使用却很不稳定，会导致 ATP 再生 反应总产率的下降，且大规模提供这些物质也有问题，故用途不广。后一系统与前者相比优 势明显。因为从工业规模 ATP 再生反应的角度来看，碳水化合物和磷酸基团无疑是价廉、 稳定且能够大规模提供的基质。采用碳水化合物为基质再生 ATP，通常需要多种参与糖代谢 的酶，由于不太可能分离出酵解系统的所有酶，故可以采用含有这些酶的微生物细胞作为合 成 ATP 的酶源。根据酶源的不同，又可将利用碳水化合物为基质的 ATP 再生系统再分为自 耦合系统(图 3-2-1)和种间耦合系统(图 3-2-2)